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thèse

Julien Lahyani

1474161

Lidar 2µm à source hybride fibrée/solide pour la télédétection du CO2 atmosphérique

Date 10/12/2021 10:00
Diplôme Institut Polytechnique de Paris
Lieu En présentiel et en ligne

Résumé

Dans une perspective de réchauffement climatique global, il est essentiel de mieux comprendre et caractériser, à l’échelle planétaire, les cycles des principaux gaz à effet de serre et notamment du dioxyde de carbone (CO2). Jusqu’ici, l’observation du CO2 depuis l’espace a été réalisée avec des sondeurs passifs. Cependant, l’emploi d’un Lidar (radar laser) embarqué sur satellite pourrait permettre une couverture spatio-temporelle accrue ainsi qu’une réduction significative des biais de mesure. Cette thèse s’intéresse au développement d’un laser à 2.05μm, compatible avec la mesure du CO2 par absorption différentielle (DIAL), en vue d’une future mission spatiale.

Pour répondre à la double contrainte robustesse/performance imposée par l’application spatiale, nous proposons une approche dite hybride, associant un laser entièrement fibré et un amplificateur cristallin. La partie « tout fibré », intrinsèquement compacte, robuste et exempte d’alignement
optique, a les propriétés requises mais l’énergie extractible par impulsion est limitée par des effets non-linéaire dans les fibres optiques. L’amplification en espace libre consiste en un simple passage dans un cristal Ho:YLF, nettement plus simple de mise en œuvre et moins sensible à l’alignement que les lasers en cavité espace libre. Ainsi, la source laser hybride conserve une importante robustesse, tout en atteignant des énergies importantes, inaccessibles aux amplificateurs fibrés mono-fréquences à 2.05μm.

À une fréquence de répétition de 1kHz, la source laser hybride fournit des impulsions de 9mJ, pour une durée de 187ns et une efficacité électro-optique de 2%, comparable avec les lasers d’autres missions lidar spatiales. Considérant ces résultats ainsi que les récentes avancées sur les détecteurs dans le proche infrarouge, une mission spatiale aux objectifs ambitieux pourrait voir le jour dans les années à venir.

Abstract

In a perspective of global warming, it is essential to better understand and characterize, at the global scale, the cycles of the main greenhouse gases and in particular of carbon dioxide (CO2). Until now, passive sounders have been used for this purpose, but the use of space-borne Lidar (laser radar) could be a major step forward for the observation of CO2, allowing a better spatial and temporal coverage and a significant reduction in the measurements biases. This thesis focuses on the development of a 2.05μm laser, compatible with CO2 measurement by differential absorption (DIAL), for a future space mission.

To meet the dual constraint of robustness/performance imposed by the space application, we propose a hybrid approach, combining an all-fiber laser and a bulk amplifier. The all-fiber part, intrinsically
compact, robust and free of optical alignment, has the required properties but the extractable energy per pulse is limited by non-linear effects in the optical fibers. The free-space amplification consists of a simple pass through a Ho:YLF crystal, which is significantly simpler to implement and less sensitive to alignment than free-space laser cavity. Thus, the hybrid laser source keeps an important robustness, while reaching important energies, unattainable to single frequency fiber amplifiers at 2.05μm.

At a repetition rate of 1kHz, the hybrid laser source provides 9mJ pulses, for a duration of 187ns and an electro-optical efficiency of 2%, comparable with other lasers for space lidar missions. Considering these results and the recent advances in near-infrared detectors, a space mission with ambitious objectives could be launched in the coming years.

Informations pratiques

La soutenance de thèse se tiendra à l’École Polytechnique – Amphithéâtre Becquerel le vendredi 10 décembre 2021 à 10h00. Vous trouverez ci-après le lien de connexion à la visioconférence.

The thesis defense which will be held at Ecole Polytechnique – Amphithéâtre Becquerel on Friday, December 10, 2021 at 10:00 am. You will find below the link to the web conference.

Lien/link : https://rdv.onera.fr/soutenance_jl

Composition du jury

  • François Balembois – Professeur des Universités, IOGS – Rapporteur
  • Georges Durry – Professeur des Universités, Université de Reims – Rapporteur
  • Jean-Charles Beugnot – Chargé de recherche CNRS, FEMTO-ST – Examinateur
  • Sandrine Galtier – Maître de conférences, ILM – Examinatrice
  • Jean-Michel Hartmann – Directeur de recherche CNRS, LMD – Directeur de thèse
  • Jacques Berthon – Chef du service Optique au CNES , CNES – Invité
  • Nicolas Cézard – Ingénieur de recherche HDR, ONERA – Invité
  • Fabien Gibert – Chargé de recherche CNRS, LMD – Invité
  • Julien Le Gouët – Ingénieur de recherche, ONERA – Invité